Diapo formation lumière couleur MPLS

Formation Maison Pour La Science
« Lumière et Couleur »
Mars 2015, Sylvie Zanier, Université Joseph Fourier, Grenoble
Pour commencer, quelques questions …
o D’où vient la couleur ? (3 acteurs à trouver)
o Combien y-a-t-il de couleurs dans l’arc-en-ciel ?
o Toutes les couleurs sont-elles dans l’arc-en-ciel ?
o Le noir est-il une couleur ? Et le blanc ?
o Le peintre qui « met du jaune », n’enlève-t-il pas plutôt du bleu ?
o Qu’obtient-on en mélangeant du rouge et du vert ? (le peintre et
l’éclairagiste ne sont pas d’accord !)
o Pourquoi certains objets changent de couleur suivant la façon dont
on les regarde ?
o Pourquoi le ciel est bleu alors que l’air est transparent ?
o Peut-on colorer sans colorant ?
Pour répondre : 3 acteurs
La lumière,
qu’est-ce que c’est ?
Une expérience pour « voir ce qu’on ne voit pas » :
la nature ondulatoire de la lumière
et sa propagation
miroir
loupe
séparatrice
franges
d’interférences
(cf. moirés)
cellule à gaz
laser
séparatrice
miroir
Les ordres de grandeur de la lumière
(animation)
Lumière
Son
Vitesse : 300 000 km/s
(Soleil → Terre : 8 min)
Vitesse : 340 m/s
(≈ 1 km en 3 s)
Fréquence : oscille près d’un million
de milliard de fois par seconde
Fréquence : 20 à 20 000 Hz
(ex. La3 = 440 Hz)
Longueur d’onde : 0,4 à 0,8 µm
= 400 à 800 nm
(épaisseur d’un cheveu / 100)
Longueur d’onde : du cm au m
(1 m pour 340 Hz)
(1 mm = 1 000 µm = 1 000 000 nm)
Les couleurs de l’arc-en-ciel
rayon
de soleil
réfraction
goutte d’eau
réflexion
réfraction
7 couleurs dans l’arc-en-ciel ?
Décomposition en couleurs « pures »
Blanc =
mélange de toutes les
couleurs de l’arc-en-ciel :
« polychromatique »
Chaque couleur
de l’arc-en-ciel est pure :
« monochromatique »
Prisme de verre = spectroscope
o Une infinité de couleurs dans l’arc-en-ciel,
chacune = une longueur d’onde
o Toutes les couleurs ne sont pas dans l’arc-en-ciel !
ex. magenta, blanc, bleu lavande, … = mélanges
o Analogie en musique : 1 accord = plusieurs notes
o « Spectre » = décomposition d’une lumière en ses
composantes monochromatiques
Le blanc ou « les blancs » ?
Une lumière « blanche » ne contient pas toujours toutes les
couleurs de l’arc-en-ciel.
Exemple : les lampes d’éclairage
Pour le comprendre : on doit étudier le fonctionnement de l’œil !
Comment notre œil « voit » ?
L’image est formée
par le cristallin
sur la rétine
2 types de cellules photosensibles :
(contiennent un pigment qui absorbe la lumière → influx nerveux → neurones rétiniens)
• les bâtonnets
130 millions répartis sur la rétine
très sensibles à la lumière (vision nocturne)
insensibles aux couleurs
• les cônes
5 millions dans la fovéa (partie centrale de la rétine)
+ peMts → + précis (acuité visuelle)
sensibles à la couleur
10 µm
Vision nocturne
• Faible lumière : cônes inactifs
seuls les bâtonnets « voient »
• Les bâtonnets ne différencient pas les couleurs :
vision en « noir et blanc »
Nuit : maximum de
sensibilité de l’œil dans
le bleu-vert (507 nm)
Sensibilité relative
Jour : dans le vert-jaune
(555 nm ≈ maximum
d’émission du Soleil)
La nuit, tous les chats
sont gris
Van Gogh, La nuit étoilée, 1889
Ambiances nocturnes :
lumière bleutée
Vision diurne
Sensibilité
des 3 types
de cônes
3 types de cônes, sensibles dans des gammes
de couleurs différentes (pigments différents)
→ 3 informations transmises au cerveau :
- quantité de « bleu »
- quantité de « vert »
- quantité de « rouge »
= vision trichromique (RVB)
Exemple : impression visuelle « jaune » = stimulation des cônes « vert » et « rouge »
+
=
1 spectre
(couleur physique)
→ Notre œil nous trompe !
= de la lumière pure jaune
ou = de la lumière contenant du rouge et du vert
1 impression visuelle
(couleur physiologique)
La couleur « lumière » : synthèse additive
= couleurs de l’éclairagiste, cinéma, TV, APN …
On part du noir (absence de lumière)
On ajoute de la lumière colorée pour aller vers le blanc
3 couleurs primaires = RVB (rouge, vert, bleu)
3 couleurs secondaires = CMJ (cyan, magenta, jaune)
Codage numérique des couleurs :
1 pixel = 1 triade RVB
1 composante RVB = 1 octet = 256 niveaux
→ 256×256×256 = 16 millions de couleurs différentes
(l’œil est capable d’en discerner 300 000 …)
Quand on ne voit pas toutes les couleurs :
le daltonisme
Cas le plus courant (deutéranope, 5 % des hommes) :
absence de cône « vert » → incapacité à différencier le rouge et le vert
Que lisez-vous ?
Les animaux qui ne voient pas comme nous
Image révélant les zones
renvoyant la lumière UV,
elles guident l’abeille
vers le nectar
Les abeilles ont aussi 3 cônes
mais leur sensibilité est V + B + UV
Les chats n’ont que 2 types de cônes : V + B
La plupart des oiseaux en ont 4 : R + V + B + UV
→ Notre système de reproducMon des couleurs à l’aide des 3 primaires RVB
n’est pas adapté à leur vision !
La « vraie » photo en couleurs
Photographie couleur interférentielle (G. Lippmann, prix Nobel 1908)
Proche de l’holographie, reproduit le « vrai » spectre de la lumière
(et non un codage RVB)
Méthode complexe → peu uMlisée en praMque
Difficile de se rendre compte sur ces images
(reproduites ici en RVB !) de l’intérêt de cette technique.
Avec un APN classique, la photo d’un spectre donne
souvent trois bandes R-V-B et peu de dégradé
Perception des couleurs
La perception d’une couleur dépend de son voisinage : l’œil est sensible aux contrastes
(Chevreul, chimiste, manufacture des Gobelins, 1839)
Effet physiologique
Contraste de luminosité : 1 teinte parait + sombre dans un environnement + clair
Contraste de teinte : la juxtaposition de deux teintes renforce chacune de la
complémentaire de l’autre
Utilisation des complémentaires
en peinture, publicité, décoration
Roue chromatique
Les 2 triangles
pointent vers les
primaires et
secondaires
2 couleurs
diamétralement
opposées sont
complémentaires
Matisse, Zulma, 1950
Une expérience simple pour mettre en évidence
la saturation de nos cônes
Fixer l’oiseau une dizaine de secondes, sans déplacer le regard.
Passer ensuite rapidement à la cage. Que voyez-vous ?
Exemple : lunettes de soleil teintées au ski
quelle est la couleur de la neige quand on retire les lunettes ?
Autres effets étonnants
liant couleur et mouvement
http://www.michaelbach.de/ot/mot-feetLin/index.html
http://www.michaelbach.de/ot/col-Benham/index.html
La couleur des objets
Un objet ne renvoie qu’une partie de la lumière qu’il reçoit.
→ la couleur dépend aussi de l’interaction entre la matière (de l’objet)
et la lumière (de la lampe)
La couleur par absorption :
couleur « chimique »
Eclairage blanc = toutes les couleurs de l’arc-en-ciel
Pigments (ou colorants) = composés absorbant certaines gammes de longueur d’onde
On part du blanc, on retire certaines parties du spectre, on voit le reste
(= complémentaire de ce qui est absorbé)
→ synthèse soustractive
Les deux types de mélange de couleurs
On part du noir :
On part du blanc :
synthèse additive
synthèse soustractive
TV, ciné, éclairage
superposition de faisceaux de lumière
Ex : un spot rouge
émet de la lumière rouge
Peinture, impression
mélange de pigments
Ex: un pigment rouge
absorbe toutes les couleurs sauf le rouge
complémentaires
les primaires de l’un
sont les secondaires de l’autre !
ROUGE + VERT = JAUNE
(primaire + primaire = secondaire)
MAGENTA + JAUNE = ROUGE
(primaire + primaire = secondaire)
ROUGE + VERT + BLEU = BLANC
(les 3 primaires ensemble = blanc)
MAGENTA + JAUNE + CYAN = NOIR
(les 3 primaires ensemble = noir)
Mélange soustractif
Seurat, Vue de Port-en-Bessin, 1888
Peinture classique
Pointillisme
David, Les Sabines, détail, 1799
Imprimerie
Ecrans
Mélange additif
Exemples de pigments
Dans la nature
• Chlorophylle (vert)
• Caroténoïdes (orange)
• Anthocyanes (bleu-rose-vert suivant l’acidité)
Expérience : purée de choux rouge ou de pdt « vitelottes »
+ citron ou bicarbonate → changement de couleur
• Indigo (extrait de l’indigotier)
Pigments minéraux
• Jaune de Cadmium (sulfure de cadmium CdS)
Pigments de synthèse
•
Bleu outremer (à l’origine extrait du lapis-lazuli)
= pigment du « IKB » (bleu Klein)
Van Gogh, Les tournesols, 1888
Eponges, Y Klein
Brillant ou mat ? une question de surface
Surface lisse (à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière ≈ 1 µm)
→ réflexion spéculaire : effet « miroir », brillance
Surface rugueuse : la lumière est renvoyée dans
toutes les direcMons → réflexion diffuse, effet mat
P. Soulage, peinture
G. Penone, Pelle di grafite, détail, 2003-06
Et le noir devient couleur !
Influence de l’éclairage
Eclairage incandescent (halogène, Soleil)
« Température de couleur » : plus un corps est chaud, plus son émission
s’enrichit en photons de haute énergie = lumière de basse longueur d’onde
(bleu – UV)
ex. « chauffer à blanc »
Couleur d’un objet suivant sa température : + c’est chaud, + c’est bleu !
Halogène 3000°C
5 % d’émission de lumière visible
(émet surtout de l’IR)
Soleil 6000 °C
émission centrée dans le visible
(maximum = jaune-vert)
Emission de lumière par les atomes
Chaque « grain de lumière » (photon) transporte une énergie,
qui peut être absorbée ou émise par la matière.
L’énergie d’un photon varie en sens inverse de sa longueur d’onde :
celle d’un photon bleu est plus grande que celle d’un photon rouge.
Emission de vapeurs atomiques
Un atome à qui on a fourni de l’énergie de façon électrique
peut la rendre sous forme de lumièreµ
→ spectre propre à l’élément chimique :
Lampe à vapeur
de Mercure
Spectre d’émission du Mercure
Fluorescence ou phosphorescence ?
• Absorption puis émission de lumière : la fluorescence
Un atome qui absorbe un photon peut le réémettre, éventuellement avec une
énergie plus faible (il en garde un peu pour autre chose !) :
→ émission décalée vers les hautes longueurs d’onde par rapport à l’absorption
(ex. UV → bleu).
Exemple : azurants optiques
(laver plus blanc que blanc !),
marqueurs « fluo »
Soda contenant
de la quinine
sous « lumière noire »
(UV)
• Et si ça prend du temps (> qques secondes) : phosphorescence
Exemple : objets qui « se voient dans le noir »
(s’ils ont été préalablement éclairés !)
Les lampes « économiques »
Tube fluorescent, ampoule fluocompacte
Vapeur de Mercure + poudre fluorescente
→ spectre « de raies » : toutes les couleurs n’y sont pas !
Pour une même quantité de lumière visible (Lumen)
consomme ≈ 5 fois moins de puissance électrique (W)
qu’une ampoule à incandescence
LED blanches
1ère génération = LEB RVB ; 2ème génération = LED UV + poudre fluorescente
+ : basse consommation, grande durée de vie, allumage immédiat
- : puissance encore relativement faible et coût encore élevé
Sodium (éclairage urbain)
basse consommation
mais mauvais rendu des couleurs !
Application en photo numérique
réglage de la « balance des blancs »
Eclairage
lumière du jour
Réglages de l’APN :
A Modigliani, fillette en bleu, 1918
incandescent (renforce le bleu) fluorescent (renforce le rouge) soleil (adapté à l’éclairage)
Réglage de l’APN
lumière du jour
Eclairage :
incandescent (trop de rouge) fluorescent (pas assez de rouge) soleil (adapté au réglage)
De la couleur sans colorants ?
Les couleurs « physiques »
Diffusion de la lumière
Diffusion = éparpillement de la lumière quand elle rencontre
des zones inhomogènes
• Particules assez grandes (nuages : gouttelettes d’eau) →
diffusion de Mie : dans toutes les directions, pour toutes les
couleurs (nuages blancs)
• Petites particules (molécules) → diffusion de Rayleigh :
Grande longueur d’onde (rouge)
interagit peu avec la particule
→ continue tout droit
Courte longueur d’onde (bleue)
plus fortement diffusée
→ déviée dans toutes les directions
Couleur du ciel et du Soleil vu de la Terre
Soleil au Zenith
blanc-jaune
(atmosphère traversée
peu épaisse :
peu de diffusion)
Ciel bleu
(on observe la
lumière diffusée)
Soleil couchant rouge
(on observe la lumière
non diffusée)
Le bleu en peinture :
couleur du lointain et du froid
Fond diffus devant un arrière plan :
d’autant + bleu qu’il est éloigné
C’est la diffusion qui donne sa
teinte blanc – bleuté à la neige
→ associaMon bleu = froid
La Joconde, Léonard de Vinci, 1503-06
Pieter Bruegel l’ancien (XVIè)
Les couleurs iridescentes
(couleurs changeantes)
Manifestation de la nature ondulatoire de la lumière
Liées à la structure fine de l’objet
à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière ( < µm)
Les couleurs de diffraction
En passant à travers un trou, une grande longueur d’onde (rouge)
est + déviée qu’une petite (bleu)
→ dispersion des couleurs :
L’effet est renforcé dans une structure périodique
(réseau)
Ex. CD, tissus fin et régulier (rideaux), structure fine
de plumes
Application en spectroscopie (remplace le prisme)
Les couleurs d’interférences
Elimination de certaines composantes colorées
par superposition de vibrations « en opposition de phase »
2 ondes en phase se renforcent
2 ondes en opposition de phase
s’éliminent
Interférences produites par un film mince (ex. savon)
→ couleur différente selon l’épaisseur du film et de l’angle d’observation
Les couleurs de polarisation
blanc + gris = couleur ?
Un filtre polarisant sélectionne la direction
de vibration de l’onde lumineuse
et fait apparaitre des couleurs
dans certains matériaux qui
n’en ont pas …
Quartz
Cellophane froissé vu sans puis avec filtres polarisants (2 orientations différentes)
Applications en microscopie,
visualisation de contraintes mécaniques, …
Bibliographie, sitographie
• La couleur dans tous ses éclats, Bernard Valeur, Edition Belin pour la science (2 pages par thème, très accessible)
• Lumière et luminescence, Bernard Valeur, Edition Belin pour la science (plus complet mais plus spécialisé)
• Traité des couleurs Libero Zuppiroli, Marie-Noëlle Bussac et Christiane Grimm, Edition Presses Polytechniques et
Universitaires Romandes (très beau livre, belles photos, développements maths en annexe)
• Dossier Pour la Science, La couleur, avril 2000
• Le petit livre des couleurs, M Pastoureau, D Simonnet, Points Histoire (pour la symbolique des couleurs)
• Site de la Main à la Pâte : composer des couleurs à partir de matière ou de lumière
http://www.fondation-lamap.org/fr/page/11624/composer-des-couleurs-partir-de-mati-re-ou-de-lumi-re
Dossier CNRS sur les couleurs
http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/couleurs/
Vidéo optique et spectroscopie
http://coursouverts.ujf-grenoble.fr/joomla/index.php/physique/86-lumiere/151-modelepodcast
• Article de B Valeur sur la chimie des pigments utilisés en peinture :
http://www.mediachimie.org/sites/default/files/chimie_art_129.pdf
• Posters des expositions « lumière et couleur » de l’année mondiale de la physique (2005) présentées au CCSTI et au
musée de Grenoble :
• à remettre en ligne ds nouveau site web PF optique (plus accessible)
Ce travail fait suite à de nombreuses interventions lors de :
-
festivals scientifiques (Remue Méninges, Sciences en Fête)
-
expositions scientifiques (Année Mondiale de la Physique au CCSTI,
musée de Grenoble)
-
visites de scolaires (primaire, secondaire) à l’Université, ateliers dans
les écoles (Julien Delahaye)
-
séminaires « grand public » (Pauline Martinetto)
-
enseignement pluridisciplinaire en première année de licence : SCI122
« Les couleurs en sciences » (Laurence Kay)
Les expériences sont réalisées grâce au matériel de la plate-forme
Optique du CESIRE (Sylvie Spagnoli, Christophe Rambaud).
Formation préparée dans le cadre de la Maison Pour La Science (Patrick
Arnaud, Evelyne Touchard).
Annexes pour impression